一种刚度线性永磁弹簧
技术领域
本发明涉及永磁弹簧技术领域，尤其涉及一种刚度线性永磁弹簧。
背景技术
弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。传统弹簧用金属弹性材料制成，在零件在外力作用下发生形变，除去外力后又恢复原状。长期采用金属弹簧的设备因弹簧疲劳、断裂、磨损、振动等失效对设备性能、安全影响极大。而普通的永磁体之间斥力的线性度不好，为了获得理想的线性刚度，王庆燕等人提出了一种双向作用筒式电永磁弹簧，在永磁体的上部连接电磁铁、传感器和衔铁，传感器通过连接线和控制器相接，通过传感器及控制器对磁通量变化进行控制，从而实现阻尼可调，有效改进弹簧的线性刚度。然而该筒式电永磁弹簧也存在问题：其永磁弹簧需要电磁铁、控制器进行辅助控制，使得整个弹簧机构体积较大，丧失了原本机械弹簧轻巧、简易的特征。同时，由于该机构由机械弹簧、永磁弹簧、电磁铁和传感器组装而成，成本较高，对配合精度也有较高要求，这对保证弹簧刚度的线性度极为不利。为解决这一矛盾，提出一种刚度线性永磁弹簧。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种刚度线性永磁弹簧。
本发明采用的技术方案是：一种刚度线性永磁弹簧，包括两个基座和直线轴承，基座为圆盖状构件，两个基座分别盖合在直线轴承的上端面和下端面，两个基座和直线轴承形成用于安装永磁弹簧组件的腔体；
所述永磁弹簧组件包括上底座和下底座，上底座由圆盘体和垂直于圆盘体顶面的长圆柱体组成，上底座的底面设有用于安装上永磁环的第一环形凹槽；上底座滑动连接在直线轴承的上半部分，上底座的上端穿出位于直线轴承上方的基座，上底座的底面安装有上永磁环；
下底座由圆盘体和垂直于圆盘体底面的长圆柱体组成，下底座的顶面设有用于安装下永磁环的第二环形凹槽；下底座滑动连接在直线轴承的下半部分，下底座的下端穿出位于直线轴承下方的基座，下底座的顶面安装有下永磁环；
上底座、下底座、上永磁环和下永磁环的轴心线与直线轴承的轴心线共线，上永磁环的外径大于下永磁环的外径，上永磁环的内径小于下永磁环的内径，上永磁环和下永磁环之间的作用力形成永磁弹簧组件的弹簧力。
进一步，所述直线轴承为石墨铜套直线轴承。
进一步，所述上永磁环通过卡接的方式固定安装于上底座的底面，下永磁环通过卡接的方式固定安装于下底座的顶面。
进一步，所述上底座和下底座均采用铝合金制成。
本发明的有益效果是：
1)失效率低。传统的螺旋压缩弹簧存在疲劳断裂、氢脆断裂、腐蚀断裂、松弛、塑性变形、永久变形等失效模式，一旦弹簧失效发生断裂或松弛、卡死等故障，将会导致关联的操纵系统失控。本发明永磁弹簧在结构上的非接触特点使其具有可动件质量小、无磨损、功耗低、寿命长、噪声小和无需润滑等优点，有效克服机械弹簧易失稳失效的缺点，大大延长了设备使用寿命。
2)线性度高，行程长。本发明运动部件采用滑动连接和永磁极间无接触、无摩擦运动进行工作，通过合理设计可在特征工作段实现良好的线性力学特性。同时由于永磁弹簧具有大刚度，采用永磁体间的结构差异来实现斥力-位移曲线呈线性效果，理论上具有较好的线性度和较长的工作行程。
3)结构简单，成本低。仅使用了永磁环、铝合金、滑动轴承、基座即可工作，无需使用电磁铁、控制器进行辅助控制，占用体积小，保留了传统螺旋压缩弹簧轻巧、简易的特征，可适用于多个场合，尤其是真空、高速、核电和超洁净等特殊应用，对系统的结构优化，改善系统的快速性、可靠性和稳定性有着重要意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的初始状态示意图。
图3是本发明的工作状态示意图。
图4是上永磁环中间段和下永磁环的磁感线分布图。
图5是上永磁环靠近内外环部分和下永磁体的磁感线分布图。
图6是上永磁环靠中间段和靠近内外环两端的斥力-间隙曲线图。
图7是上永磁整体的斥力-间隙曲线图。
附图标记说明：1、上底座；2、直线轴承；3、上永磁环；4、下永磁环；5、下底座；6、基座。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照附图，一种刚度线性永磁弹簧，包括两个基座6和直线轴承2，所述直线轴承2可以采用石墨铜套直线轴承，基座6为圆盖状构件，两个基座6分别盖合在直线轴承2的上端面和下端面，两个基座6和直线轴承2形成用于安装永磁弹簧组件的腔体；
所述永磁弹簧组件包括上底座1和下底座5，上底座1由圆盘体和垂直于圆盘体顶面的长圆柱体组成，上底座1的底面设有用于安装上永磁环3的第一环形凹槽；上底座1滑动连接在直线轴承2的上半部分，上底座1的上端穿出位于直线轴承2上方的基座6，上底座1的底面通过卡接的方式固定安装有上永磁环3；
下底座5由圆盘体和垂直于圆盘体底面的长圆柱体组成，下底座5的顶面设有用于安装下永磁环4的第二环形凹槽；下底座5滑动连接在直线轴承2的下半部分，下底座5的下端穿出位于直线轴承2下方的基座6，下底座5的顶面通过卡接的方式固定安装有下永磁环4；所述上底座1和下底座5可以采用常用铝合金ZL104，从而配合永磁体工作。
上底座1、下底座5、上永磁环3和下永磁环4的轴心线与直线轴承2的轴心线共线，上永磁环3的外径大于下永磁环4的外径，上永磁环3的内径小于下永磁环4的内径，上永磁环和下永磁环之间的作用力形成永磁弹簧组件的弹簧力。
如图3所示，当外力推动上底座1时，上底座1与安装在上底座1第一环形凹槽内的上永磁环3一起沿着直线轴承2的内壁竖直向下运动，而下底座5靠在基座6内部的下底面，和安装在下底座5第二环形凹槽内的下永磁环4一起处于静止状态。随着上永磁环3和下永磁环4之间的间隙减小，使得两永磁环之间的作用力发生变化。如图4所示，在运动过程中，上永磁环3单侧截面的中间段和下永磁环4体5正对，磁感线都是回到自身端面上，两者间的力为斥力，斥力随间隙变化的规律如图6中的实线所示，中间段的力-间隙曲线图接近反比例函数，线性度较差。由于上永磁环3的外径大于下永磁环4的外径，上永磁环3的内径小于下永磁环4的内径，如图5所示，当两永磁环接近时，上永磁环3靠近内外环两侧的部分磁感线不再回到自身，而是进入下永磁环4的下端面，这使得上永磁环3靠近内外环的部分与下永磁环4产生吸引力，此作用力随间隙变化的规律如图6中的虚线所示，两侧的力-间隙曲线图在零位附近吸引力较大，随着间隙增加变成较水平的斥力，零位附近部分的吸引力正好可抵消中间段的部分斥力。将图4和图5两种结构合并在一起，整体的力和间隙的关系如图7所示，即图6中的实线和虚线叠加，由此便可得到一条线性度较好的力-间隙曲线图，在适当的尺寸调整下，即可将该曲线的斜率达到自己想要的值，以此得到工作所需要的的弹性刚度。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
